齒輪傳動中輪齒的失效分析及對策

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 齒輪傳動中輪齒的失效分析及對策 0引言 齒輪傳動是機(jī)械傳動中最主要的一種傳動形式。具有效率高、布局緊湊、工作穩(wěn)當(dāng)、使用壽命長、傳動比恒定等一系列特點(diǎn)，但由于設(shè)計、制造或使用不當(dāng)?shù)壤碛?，齒輪傳動在工作過程中經(jīng)常會發(fā)生失效。通常有齒輪的輪齒折斷、工作齒面磨損、疲乏點(diǎn)蝕、齒面膠合及塑性變形等，任何一種失效都將導(dǎo)致齒輪傳動非正常工作。本文將針對齒輪傳動的上述失效形式逐一舉行探討，分析其失效理由并提出相應(yīng)的解決措施。 1輪齒折斷 輪齒折斷可分為疲乏折斷、過載折斷、和隨機(jī)折斷,通常漸開線直齒圓柱齒輪輪齒的折斷為全齒折斷,而斜齒輪和錐齒輪輪齒的折斷一般是局部折斷。 1.

2、1疲乏折斷 輪齒工作時像一個懸臂梁，受載后在齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為最大，而且是交變應(yīng)力。再加之齒根處過渡片面的尺寸變化較大存在應(yīng)力集中，在反復(fù)的彎曲應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力值超過材料的彎曲疲乏極限時，即時在輪齒受拉一側(cè)的齒根圓角處產(chǎn)生疲乏裂紋,隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋逐步擴(kuò)展,使輪齒剩余截面上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力,造成瞬時折斷。 導(dǎo)致輪齒發(fā)生疲乏折斷的理由好多,如在設(shè)計時對實(shí)際載荷估計缺乏、齒輪材料選擇不當(dāng)、未能保證加工質(zhì)量、精度等,為防止輪齒工作時發(fā)生疲乏折斷,在舉行齒輪設(shè)計、加工、安裝時,務(wù)必優(yōu)選齒輪參數(shù)、提高齒根外觀光亮度、增大齒根圓角半徑并調(diào)整齒根圓角過渡區(qū),消釋該處的加工刀痕一價低齒根

3、的應(yīng)力集中；增大軸及支承物的剛度以減輕齒面局部過載的程度；應(yīng)正確選擇齒輪副材料,舉行適當(dāng) 的熱處理,以獲得較好的顯微組織；對齒輪進(jìn) 行噴丸、碾壓等冷作處理以提高齒面硬度、保持芯部的韌性。 1.2過載折斷 過載折斷是指齒輪在工作過程中有嚴(yán)重過載或沖擊載荷的作用或者在制造安裝過程中，精度差，齒輪局部受載或受較大的沖擊時，均可能產(chǎn)生過載折斷。過載折斷不同于疲乏折斷，其特點(diǎn)是斷口位置不固定，斷面粗糙。輪齒受到大載沖擊或嚴(yán)重磨損而齒厚變薄時也會發(fā)生折斷現(xiàn)象。另外，若制造或安裝不良或軸的剛性不夠而彎曲變形過大時，將導(dǎo)致輪齒局部過載，也會發(fā)生輪齒局部折斷。如，某機(jī)車電動機(jī)懸掛裝置主動齒輪斷裂，在齒根斷裂區(qū)察

4、覺在毛坯鍛造過程中形成的閉合孔洞及夾雜物，嚴(yán)重削減了該區(qū)強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。 在斜齒圓柱齒輪傳動中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有集中載荷時，就會發(fā)生局部折斷。若制造及安裝不良或軸的彎曲或軸的彎曲變形過大，輪齒局部受載過大時，即使是直齒圓柱齒輪，也會發(fā)生局部折斷。 為防止輪齒過載折斷的發(fā)生,在舉行傳動設(shè)計時,應(yīng)充分考慮引起嚴(yán)重過載的各種因素,采用適當(dāng)?shù)陌埠醚b置,如安好聯(lián)軸器等;安裝時應(yīng)保證有足夠的接觸精度;運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)防止較大硬物落入嚙合,以免造成沖擊載荷,此外,對齒輪制造過程舉行必要的質(zhì)量操縱,如對齒根部舉行微裂紋探傷等,也可有裁減輪齒發(fā)生過載折斷的可能性。此外，齒輪在加工制造過程中

5、，應(yīng)嚴(yán)格保證工藝要求，盡量制止應(yīng)力集中。 2齒面磨損 磨損是在嚙合傳動過程中,由于嚙合齒面間存在著相對滑動、輪齒接觸外觀上的材料發(fā)生摩擦損耗的現(xiàn)象，齒面磨損是不成制止的。無論是齒面硬度多高，在齒輪工作后其齒面都會有所磨損。而磨料性物質(zhì)的進(jìn)入（如砂粒、鐵屑等）那么無疑是加劇齒面磨損的直接理由。制止輪齒過度磨損的最有效方法是以閉式傳動代替半開式或開式傳動。但是，不管是閉式、半開式，還是開式傳動，適當(dāng)?shù)耐庥^處理，如滲碳淬火、調(diào)質(zhì)(正火)高頻外觀淬火等都有助于提高齒面硬度及耐磨性。 磨損根據(jù)其機(jī)理和特征的不同,有微弱磨損、中等磨損、過度磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。微弱磨損的特點(diǎn)：對比緩慢、平勻,磨損后齒

6、面平滑光亮。接觸齒面的粗糙度與潤滑油粘度、齒面工作速度、工作載荷之間不匹配都是產(chǎn)生微弱磨損的理由,這些理由使齒面間潤滑油膜厚度不夠,導(dǎo)致齒面微凸體峰部被磨平或塑性壓平,在齒輪磨光后，可采用粘度較大的潤滑油形成適合的油膜厚度就不影響齒輪的壽命和性能。中等磨損時輪齒節(jié)線上下齒面的材料有確定的移失,離節(jié)線越遠(yuǎn),磨損量越大,在節(jié)線位置上呈現(xiàn)出一條接近連續(xù)的線,由于齒輪受工作速度、載荷、溫度、潤滑劑和潤滑因素的限制,只能在邊界潤滑或接近邊界潤滑狀態(tài)下工作所致,可通過改善潤滑條件、增加油膜厚度來防止中等磨損的發(fā)生。過度磨損時輪齒工作齒面材料被磨削,齒厚明顯減薄,齒廓外形被破壞,齒輪壽命降低,過度磨損是由于

7、潤滑系統(tǒng)和密封裝置不良或失效,系統(tǒng)有嚴(yán)重振動、沖擊等因素所引起,基于以上分析可采用適合的密封形式和潤滑裝置,也可提高工作速度,減輕振動載荷,變更齒輪的幾何參數(shù)、材質(zhì)、精度、齒面粗糙度等。磨粒磨損表現(xiàn)為輪齒接觸外觀上沿滑動方向有較平勻的條痕,這是由于磨料物質(zhì)落入嚙合齒面間而引起的磨損,可通過適當(dāng)提高齒面硬度和光亮度、降低齒面間滑動率、正確選擇潤滑方式、保持潤滑油清潔等措施裁減磨粒磨損。腐蝕磨損是一種以化學(xué)腐蝕為主,同時伴有機(jī)械磨損的輪齒失效形式,發(fā)生腐蝕磨損的輪齒齒面呈平勻分布的腐蝕麻坑,工作齒面沿滑動方向伴有磨蝕痕跡,引起腐蝕磨損的理由是潤滑劑中的活性成分與輪齒材料發(fā)生了化學(xué)和電化學(xué)回響,引起

8、齒面腐蝕,由于摩擦或沖刷作用,蝕斑被磨蝕或沖掉,形成腐蝕磨損,要防止腐蝕磨損,就務(wù)必對腐蝕介質(zhì)舉行操縱,在潤滑油中可添加適量的阻蝕劑,以降低電極回響速度,齒輪裝置應(yīng)有良好的密封形式,以防機(jī)內(nèi)潤滑油被外界的水、酸及其他有害物質(zhì)污染 3齒面點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕是閉式齒輪傳動常見的失效形式，在齒輪試驗及機(jī)器檢修時,在齒面上能看到麻點(diǎn)和凹坑,對于滲碳碎火的硬齒面,可以看到一些霜狀紋班塊或展現(xiàn)大塊金屬剝落。這是輪齒輪齒進(jìn)入嚙合時，輪齒齒面接觸處在法向力的作用下將產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，脫離嚙合后接觸應(yīng)力即消散。對齒廓工作面某一固定點(diǎn)來說，它受到的是近似于脈動變化的接觸應(yīng)力。假設(shè)接觸應(yīng)力齒面上展現(xiàn)不規(guī)矩的輕微的疲乏裂紋

9、，隨著裂紋的曼延、擴(kuò)展而導(dǎo)致齒面表層上的金屬微粒脫落，形成麻點(diǎn)狀的凹坑。常首先展現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上。這是由于，輪齒靠近節(jié)線的齒根面接觸疲乏強(qiáng)度低，加之嚙合處相對滑動速度低，潤滑油膜不易形成，摩擦力較大的理由?；谏鲜隼碛桑瑸榉乐惯^早展現(xiàn)點(diǎn)蝕，可采用提高齒面硬度、增大潤滑油的粘度、降低外觀粗糙度值減緩點(diǎn)蝕，延長齒輪壽命。但是對速度低的齒輪傳動，宜用粘度高一些的潤滑油為宜；但對速度較高的齒輪傳動（如圓周速度v12m/s），應(yīng)用噴油潤滑，故宜用粘度低的潤滑油。 4齒面膠合 在高速或低速重載的齒輪傳動中，由于嚙合齒面間的壓力較大。相對滑動速度較高，發(fā)熱量大，使嚙合區(qū)溫度升高，引起潤滑油膜破碎，齒面

10、直接接觸，產(chǎn)生干摩擦或半干摩擦，而這種摩擦將進(jìn)一步提升溫度，從而在齒面局部產(chǎn)生固有熔焊粘附，繼而沿滑動方向撕裂，形成兩齒面間表層材料的轉(zhuǎn)移，這種齒面損傷形式稱為齒面膠合。它有熱膠合和冷膠合兩種，在低速重載軟齒面齒輪傳動之中，由于齒面局部壓力較大，有可能使?jié)櫥湍なВ斐升X面金屬直接接觸并產(chǎn)生塑性變形，接觸外觀的金屬分子相互分散和局部再結(jié)晶而產(chǎn)生局部焊合粘連。當(dāng)切向滑動時粘結(jié)點(diǎn)被撕開，形成冷膠合。當(dāng)在高速重載的齒輪傳動中，齒面溫度較高，嚙合齒間的潤滑油膜由于高溫柔高壓的作用而被破壞，造成齒面金屬接觸點(diǎn)的熔焊和撕裂。齒面較軟的被撕開形成溝槽，較硬的齒面粘附被撕膜的金屬附著物，形成熱膠合。 防止或

11、減輕齒面膠合的主要措施：（1）采用角度變位齒輪傳動一降低嚙合開頭和終了時的滑動系數(shù)；（2）減小模數(shù)和齒高一降低滑動速度(3)采用極壓潤滑油；（4）選用抗膠合性能好的齒輪副材料；（5）材料一致時，使大、小齒輪保持適當(dāng)硬度差（6）提高齒面硬度和降低外觀粗糙度值等。更加是重載高速傳動齒輪設(shè)計時，除了要使輪齒具有足夠的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度外,還應(yīng)當(dāng)保證齒面具有確定的抗膠合承載才能，也就是說，在傳動齒輪設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)以峰值載荷校核齒輪膠合承載才能，而不是平均荷載。同時，應(yīng)采取切實(shí)措施（如噴油潤滑），在保證良好潤滑的同時操縱嚙合區(qū)溫度。 5齒面塑性滾動 齒面較軟的齒輪，重載時可能在摩擦力作用下產(chǎn)生齒面塑性滾動

12、，從而破壞正確齒形。由于在主動輪齒面的節(jié)線兩側(cè)，齒頂和齒根的摩擦力方向相背，因此在節(jié)線鄰近形成凹槽；從動輪那么相反，由于摩擦力方向相對，因此在節(jié)線鄰近形成凸脊。這種損壞常發(fā)生在低速、頻繁啟動和過載傳動中。 適當(dāng)提高齒面硬度，采用粘度較大的潤滑油，可以減輕或防止齒面塑性滾動。降低齒面粗糙度，適選中配主、從動齒輪的材料及硬度，舉行適當(dāng)?shù)呐芎系纫部煞乐巩a(chǎn)生齒面塑性滾動。此外，還可采用室溫油分級等溫淬火工藝，獲得奧貝球鐵組織。奧貝球鐵組織具有高強(qiáng)度、高延遲率和高沖擊值的良好機(jī)械性能，具有很高的彎曲疲乏強(qiáng)度和良好的耐磨性能。這一工藝已在泰山-120型小四輪拖拉機(jī)最終傳動大齒輪得到應(yīng)用，運(yùn)行6個月后，未發(fā)生斷齒及崩碎，齒面無裂紋、點(diǎn)蝕。 1濮良貴紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計M北京：高等教導(dǎo)出